Unity3D教程:如何利用Shader实现钻石渲染效果
一些游戏中会有一些类似钻石发光的项目，那么这类钻石渲染的效果一般要如何实现呢，下面就给大家介绍下在Unity3D中是通过Shader实现钻石渲染效果的教程，希望可以帮到。
一、概述
人们喜欢一切闪闪发光的东西，例如钻石。下面试着用shader来实现钻石的渲染。先来看看我们最终的实现效果：
然后，我们来看看一束光照射到钻石表面时都发生了什么。
如上图所示，绿线表示法线，赭黄是光线在钻石内部的路线。在上图中，从外部射入的光线总共经过了四次变换（实际中不止四次）。在第一处，发生了折射和反射，在这里光线是从光疏介质射入光密介质；在第二处，同样发生了折射和反射，但是这里的折射是光线从光密介质射入光疏介质；在第三处，由于入射角大于全反射的临界角，发生了全反射，并没有折射产生；在第四处，光线垂直射出钻石，当然这里会有色散的现象，然后最终光线进入我们的眼睛。
二、预备知识
1、折射定律
光从真空进入某种介质发生折射时，入射角i的正弦与折射角r的正弦之比，等于这种介质的折射率n。写成公式如下：
对于光从介质1进入另一种不同折射率的介质2时，有如下公式成立：
在cg语言中有提供一个内置函数refract来用于计算折射，其声明如下：
1 | float3 refract(float3 I, float3 N, float etaRatio); |
前置条件：光从介质1进入介质2.
参数含义：I是入射方向（这里的入射方向一般是指从摄像机位置射向顶点位置的方向。）；N是法线；etaRatio表示。
2、反射
反射相信大家都很熟悉，这里直接略过定义来看公式：
1 | float3 reflect(float3 I, float3 N); |
其中参数的定义与折射相同。
3、全反射
全反射在我们的实现中并没有体现出来，但是在这里我仍然想提一下。
光由光密介质射到光疏介质时，只产生反射而不产生折射的现象，称之为全反射。
钻石本身并不会发光，而它之所以这么的闪，是因为钻石的全反射临界角只有大约24度，即在钻石内部，入射角超过24度的光线被锁在了钻石内，少有光线逸出，这就是为什么钻石如此闪耀的原因。
三、渲染方法
1、首先，准备一张钻石内部朝外观察的cubemap，我们将它命名为RefractTex，如下图
通常，漂亮的渲染结果总是需要美术提供制作精良的贴图，这里也不例外。让美术使用3DMax或者Maya来制作此cubemap。一张cubemap一般需要使用摄像机渲染六次，上下左右前后，渲染时摄像机的fov应该设置为90度。上述截图是我使用3DMax的mental ray渲染制作的，我对mental ray是完全不熟悉，相信专攻材质的美术师可以制造出更好的贴图来。
当然，你还需要一张正常的环境贴图，我们将之命名为EnvTex：
2、渲染宝石的背面，计算一次折射，使用折射向量作为参数在EvnTex中取出相应的颜色值。
在shaderlab中，要渲染物体的背面，我们只需在Pass中声明下列语句：
1 | Cull Front |
如果在Pass中未做声明，则默认是Cull Back。
然后我们选择在世界坐标系中计算折射：
1 2 3 | Float3 view =normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - worldPos);float3refractVector = refract(-viewVector, normal, 1/2.4f); |
并从EvnTex中取出颜色做个伽马矫正：
1 2 3 | float3refractColor = texCUBE(_EvnTex, refractVector);refractColor =pow(refractColor, 2.2f); |
下图是我们这次运算的收获：
图1：RefractColor_Back
有时候它会显得过亮，一般而言，背后射入的光线一部分发生了反射，一部分则折射入宝石内部，所以我们需要将它乘以一个系数调低亮度，比如0.3。
3、同样在背面渲染时，我们计算一次反射，然后用反射向量到RefractTex中获取颜色值：
1 2 3 | float3reflectVector = reflect(-viewVector, normal);float3reflectColor = texCUBE(_RefractTex, reflectVector_)*_Color.xyz; |
然后我们得到如下图的结果：
图2：ReflectColor_Back
4、接着回到正面渲染，我们依然计算折射，并从RefractTex中取出颜色值：（代码同上）
图3：RefractColor_Front
5、准备一张环境光cubemap以及一张色散cubemap，我们分别命名为EnvLightTex、DispersionTex:
图4：环境光EnvLightTex
图5：色散图DispersionTex
6、在正面渲染中计算反射，从环境贴图EnvTex中取出颜色值：（代码同上）
图6：ReflectColor_Front
7、取反射向量作为参数，从EnvLightTex以及DispersionTex中取出环境光亮度以及色散值，并且在两者之间做差值计算：（这里也可以再做一次fresnel的计算）
1 2 3 4 5 | float3 envColor= texCUBE(_EnvLightTex, reflectVector);float3dispersion = texCUBE(_DispersionTex, reflectVector);envColor =lerp(envColor, dispersion*envColor, 0.25f); |
图7：envColor
8、计算高光，公式使用普通的镜面高光公式即可：
1 2 3 4 5 | float3 lightDir =normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);floatRL = saturate(dot(reflectVector, lightDir));float3specularColor = _SpecularPower.y*pow(RL, _SpecularPower.x)*_LightColor0.xyz; |
图8：SpecularColor
9、将上述计算结果按下列公式合并：
1 2 3 4 5 | Float3 back =(RefractColor_Back + ReflectColor_Back);Float3 front =RefractColor_Front+envColor*ReflectColor_Front*_ReflectStrength;Float3 result =back + front + SpecularColor; |
我们就可以得到最终宝石的渲染效果了，当然由于环境贴图偏橙红色，这里宝石经过折射反射后也会带点橙红色：
图9：钻石渲染效果
10、当然，可以加入屏幕后期特效“耀斑”，让钻石看起来更闪：
参考资料：Phat Lewt: Drawing a Diamond
以上就是利用Shader实现钻石渲染效果的全部内容，希望对大家有帮助。